6- VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE BIOMASA EN REACTOR DE BARROS
6.7. Comparación de la generación de biomasa y la capacidad de biodegradación de
Se comparó la generación de biomasa y la velocidad de degradación de sustrato entre los reactores híbridos y el sistema de barros activados. En la Tabla 6.4 se encuentran los valores de concentración de biomasa suspendida y adherida, y los valores de velocidad de degradación obtenidos en ambos sistemas. Para la biodegradación de suero de queso se compararon los resultados obtenidos correspondientes a un θC de 10
días. Como puede observarse en la Tabla 6.4, para este tiempo de residencia celular la biomasa total fue 4 veces mayor en el sistema híbrido respecto al sistema barros activados. Sin embargo, la velocidad de degradación de sustrato en el sistema híbrido fue inferior al sistema de barros activados, esto pudo deberse a problemas de resistencia difusional del sustrato al interior de la biomasa adherida a los soportes. En cambio, para la biodegradación de fenol con un θC de 20 días se observó que la biomasa total obtenida en
ambos sistemas fue similar, mientras que la biomasa suspendida fue menor en el reactor híbrido. En ambos casos se obtuvieron velocidades de degradación de fenol similares de 120.6 mgF/(L h) para el reactor hibrido y 114.3 mgF/(L h) para el sistema de barros activados.
En base a los resultados obtenidos se pudo establecer que en el reactor híbrido la generación de biomasa adherida fue mayor con suero de queso como fuente de carbono. No obstante, la elevada concentración de sólidos adheridos presentó problemas de transferencia de sustratos al interior de la biomasa adherida lo cual se evidenció en la disminución de los valores de velocidad de degradación de suero de queso. Por otro lado, la formación de biomasa adherida utilizando fenol como fuente de carbono fue menor y las velocidades de degradación de fenol en el reactor híbrido y el sistema de barros activados fueron similares.
Capítulo 6
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Tabla 6.4. Comparación de la concentración de biomasa y velocidades de degradación para reactores híbridos y de barros activados alimentados con suero de
queso para un θC de 10 días y alimentados con fenol para un θC de 20 días.
Sustrato XS (gSST/L) (gSAT/L)Xa (gST/L)Xt (mgDQO/Lh)RS a (mgF/L h)RF b Reactor híbrido Suero 4.4 ± 0.1 4.8 ± 0.2 9.2 ± 0.2 544 ± 24 - Barros activados Suero 2.6 ± 0.6 - 2.6 ± 0.6 914 ± 323 - Reactor Híbrido Fenol 1.8 ± 0.1 0.9 ± 0.2 2.7 ± 0.2 - 121 ± 1 Barros activados Fenol 2.7 ± 0.5 - 2.8 ± 0.5 - 114 ± 8
a y b valores de velocidad de degradación de sustrato correspondientes a 2 tiempos de residencia
celular para a) tiempo de operación del reactor de 20 d y b) tiempo de operación del reactor de 40 días
Conclusiones del Capítulo
- Se comparó la influencia del tiempo de residencia celular (θC) sobre la
concentración de biomasa en el reactor de de barros activados. Se observó que con una alimentación con suero de queso la disminución del θC de 45 a 40 días no afectó la
concentración de biomasa en el reactor. Por el contrario, la reducción del θC de 40 a 20
días y de 20 a 10 días produjo un decrecimiento en la biomasa. Por otro lado, en barros activados alimentados con fenol la concentración de biomasa en el reactor se mantuvo aproximadamente constante para θC de 45, 40 y 20 días. Luego, la disminución del θC a
10 días produjo una marcada disminución en la concentración de biomasa. A pesar de esta disminución, al final de cada ciclo de operación no se detectó fenol en el efluente, indicando un consumo completo del mismo. Por lo cual, la baja concentración de DQO al final de cada ciclo de alimentación tanto con suero de queso o fenol se pude atribuir a la presencia de productos solubles microbianos.
150 - Se desarrolló un modelo matemático que permite calcular la evolución de la concentración de biomasa en función del número de ciclo de operación según las condiciones utilizadas en el reactor semicontinuo empleado en este trabajo de Tesis. Asimismo, el empleo de las ecuaciones planteadas permite el cálculo del rendimiento de biomasa observable (Yobs) y el coeficiente de decaimiento endógeno (b), con un adecuado
ajuste tanto para barros alimentados con suero de queso como con fenol.
- Por otra parte, se demostró que el sistema de reactores híbridos puede ser utilizado en la biodegradación de suero de queso y fenol. Sin embargo, se observó que la velocidad de degradación de estos sustratos disminuyó respecto de la obtenida en el sistema tradicional de barros activados.
- En los reactores híbridos alimentados con suero de queso y fenol se observó que la adhesión de la biomasa al soporte produjo un decrecimiento de la biomasa en suspensión. Además, se determinó que el suero de queso fue un sustrato más eficiente para la generación de biomasa adherida al soporte.
- Se estudió la influencia del θC y el tipo de sustrato sobre la concentración de
biomasa en reactores híbridos. Se observó que utilizando alimentación con suero de queso y fenol, la disminución del θC produjo un decrecimiento en la concentración de
biomasa en suspensión y favoreció el desarrollo de biomasa adherida sobre los soportes K1.
- Cuando se adicionó fenol al reactor híbrido alimentado con suero de queso la biomasa suspendida disminuyó mientras que la biomasa adherida se mantuvo aproximadamente constante en los primeros 16 días de operación. Debido a que la biomasa adherida actuaría como inóculo, la biomasa de reactores híbridos podría recuperarse más rápidamente luego de la descarga de fenol en el reactor.
151
Capítulo 7
152
CONCLUSIONES GENERALES
Degradación de fenol, suero de queso y compuestos fenólicos por barros activados.
En los capítulos 3, 4 y 5 del presente trabajo de Tesis se analizaron diferentes aspectos relacionados a la remoción biológica de suero de queso, fenol y compuestos fenólicos. Las principales conclusiones se detallan a continuación:
- Se determinó que los microorganismos presentes en los sistemas de barros activados pueden ser utilizados para la biodegradación de aguas residuales conteniendo fenol. Se estableció que el proceso de aclimatación es indispensable para desarrollar la actividad enzimática necesaria para degradar el compuesto y obtener los mayores valores de velocidad de degradación. Además, se observó que la velocidad de degradación disminuyó en función del incremento de la concentración inicial de fenol. Para una concentración 800 mgF/L la aclimatación en dos etapas fue una estrategia eficaz ya que el tiempo de adaptación fue menor al necesario en una aclimatación directa y los valores de velocidad específica de degradación obtenidos fueron mayores.
- Cuando se estudió la influencia de cambios de sustrato en etapas alternadas de alimentación del reactor con suero de queso y fenol, se demostró que los barros activados pueden adaptarse adecuadamente a variaciones en la composición del agua residual. En las etapas de alimentación con suero de queso la velocidad de degradación de este sustrato se mantuvo aproximadamente constante. En cambio, en las etapas de alimentación con fenol los valores de velocidad de degradación de sustrato se incrementaron en función del grado de aclimatación de los barros activados a fenol. Por otro lado, luego de un período de alimentación con suero de queso los barros activados disminuyeron su capacidad para biodegradar fenol. Sin embargo, los valores de velocidad de degradación para fenol se incrementaron en función del tiempo de operación del reactor con fenol, obteniéndose nuevamente barros activados aclimatados.
- La actividad respiratoria de los barros activados asociada a la degradación de suero de queso se correspondió con una cinética de tipo Monod, tanto en las etapas de alimentación con suero de queso como en las etapas con fenol. Por otro lado, se demostró que la actividad respiratoria asociada a la biodegradación de fenol se
Conclusiones generales
153
correspondió con una cinética de tipo Haldane durante las etapas de alimentación del reactor con fenol y en etapas posteriores con suero de queso. Cuando el reactor fue alimentado con fenol la actividad respiratoria para fenol se incrementó, mientras que en ausencia de fenol (alimentación con suero de queso) disminuyó. Finalmente, se pudo establecer que frente a variaciones de sustrato en el agua residual los barros activados pudieron ser aclimatados a fenol nuevamente.
- Dado el amplio uso de la respirometría para el estudio de parámetros cinéticos y estequiométricos que caracterizan la biodegradación de los sustratos presentes en aguas residuales, en este trabajo de Tesis se determinaron expresiones que permiten evaluar los errores asociados a la medida de velocidad de respiración. Asimismo, este estudio permite la selección de condiciones de medición adecuadas que minimicen los errores.
- Se aplicó la técnica de respirometría abierta para analizar la biodegradación de compuestos fenólicos. Los resultados indicaron que los barros activados aclimatados a fenol fueron capaces no solo de oxidar fenol, sino también otros compuestos fenólicos de mayor toxicidad como catecol, resorcinol, pirogalol e hidroquinona individualmente y en forma conjunta, como mezclas binarias de fenol con catecol, resorcinol o hidroquinona. Sin embargo, frente a la adición sucesiva de estos compuestos en forma individual se produjo un decrecimiento de la velocidad de degradación. La respirometría demostró ser una técnica adecuada para obtener coeficientes de oxidación de compuestos fenólicos. Mientras que el coeficiente de oxidación de fenol, resorcinol, pirogalol e hidroquinona permaneció constante, el coeficiente de oxidación para catecol se incremento en función de la adición de este sustrato.
- Cuando se adicionaron mezclas binarias de fenol con catecol o resorcinol no se observó una disminución de la actividad respiratoria debido a que las concentraciones estudiadas fueron menores a la concentración necesaria para reducir un 50% las velocidades de consumo de estos sustratos. Además, la adición de fenol pudo tener un efecto protector que contrarrestó la toxicidad de los otros compuestos. Si bien la adición de fenol puede ser empleada como estrategia para reducir el efecto tóxico de otros compuestos fenólicos también se debería analizar el efecto de la adición de concentraciones mayores.
- A partir del perfil respirométrico obtenido para las mezclas se observó que la presencia de un segundo sustrato sólo afecta a la cinética, pero no la estequiometria de la reacción de oxidación. Por ello, en todas las mezclas binarias analizadas se pudo calcular el oxígeno consumido como el producto entre la concentración acumulada de sustrato
154
adicionada y el correspondiente coeficiente de oxidación de cada compuesto en forma individual.
- Considerando que las aguas residuales poseen variaciones tanto en la composición como en la concentración de compuestos tóxicos, el estudio de la oxidación de los compuestos mencionados anteriormente puede ser de utilidad para prevenir un impacto negativo sobre la actividad de los microorganismos presentes en los sistemas biológico. Los parámetros calculados para la oxidación de suero de queso, fenol y compuestos fenólicos tienen influencia sobre el tratamiento de aguas residuales, debido a la variación que estas presentan en cuanto a su composición.
Variación de la concentración de biomasa en reactor de barros activados y reactor híbrido.
En el capítulo 6 se analizaron aspectos relacionados a la variación de la concentración de biomasa en función de la reducción del tiempo de residencia celular en un reactor de barros activados y un reactor híbrido.
Las principales conclusiones se detallan a continuación:
- En general se observó que tanto para suero de queso como para fenol cuando el reactor de barros activados fue operado con tiempos de residencia celular de 45, 40 y 20 días no se obtuvo una variación significativa de la concentración de biomasa. En cambio, la reducción a 10 días de tiempo de residencia celular produjo un decrecimiento en la concentración de biomasa en el reactor.
- En base a los resultados obtenidos se desarrolló un modelo matemático que permitió predecir la evolución de la concentración de biomasa en función del número de ciclo de operación según las condiciones utilizadas en el reactor semicontinuo empleado en este trabajo de Tesis. El modelo se ajustó satisfactoriamente a los datos experimentales y permitió calcular el rendimiento de biomasa observable y la constante de decaimiento endógeno.
- Por otro lado, se demostró que el sistema de reactores híbridos puede ser utilizado en la biodegradación de suero de queso y fenol. Para ambos sustratos se observó que la adhesión de la biomasa al soporte originó un decrecimiento de la biomasa en suspensión. Asimismo, se estableció que la reducción en el tiempo de residencia celular produjo un decrecimiento en la concentración de biomasa en suspensión y
Conclusiones generales
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favoreció el desarrollo de biomasa adherida sobre los soportes. Se determinó que con una alimentación con suero de queso se obtuvo una mayor adhesión de la biomasa. Sin embargo, se observó que la velocidad específica de degradación de este sustrato disminuyó respecto de la obtenida en el sistema tradicional de barros activados. Esto se debió principalmente a la menor actividad que presentó la biomasa adherida. Finalmente, frente a la modificación del sustrato de alimentación (suero de queso por fenol) se observó una menor reducción de la biomasa en el reactor híbrido, dado que este sistema permitió obtener una mayor concentración de biomasa.
156
NOMENCLATURA
b Constante de decaimiento endógeno (1/d)
btw,∆t Pendiente de la regresión lineal de C en función de t evaluada dentro de la ventana tw
C Concentración de oxígeno disuelto (mmolO2/L)
C0 Concentración de oxígeno disuelto para t = t0 (mmolO2/L)
CA Catecol
Ce Concentración de oxígeno disuelto en equilibrio (mmolO2/L) Ci Concentración de oxígeno disuelto para t = 0 (mmolO2/L)
Cmin Concentración mínima de oxígeno disuelto durante la adición de un sustrato oxidable (mmolO2/L)
Cs Concentración de oxígeno disuelto de saturación (mmolO2/L) CVkLa Coeficiente de variación de kLa
DBO Demanda Bioquímica de Oxígeno
DQO Demanda Química de Oxígeno
F Fenol
F/F0 Concentración de fenol final/Concentración de fenol inicial
F+CA Mezcla de fenol y catecol
F+HY Mezcla de fenol e hidroquinona
F+RE Mezcla de fenol y resorcinol
HY Hidroquinona
IC50 Concentración de sustrato acumulada que produce 50% de inhibición
KF Coeficiente de saturación de fenol (mgF/L)
Ki Coeficiente de inhibición (mgF/L)
kLa Coeficiente de transferencia de oxígeno
Ks Constante de saturación de suero de queso (mgDQO/L)
m0 Peso del tubo de vidrio vacío (g)
m1 Peso del tubo de vidrio con biomasa (g)
OC Oxígeno consumido (mmolO2/L)
OCacum Oxígeno consumido acumulado (mmolO2/L)
OCexp Oxígeno consumido acumulado experimental (mmolO2/L) OCm Oxígeno consumido máximo (mmolO2/L)
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OD Oxígeno disuelto
PY Pirogalol
QAR Caudal de agua residual a tratar (L)
qen Velocidad específica de respiración endógena (mmolO2/(gSST h) qex Velocidad específica de respiración exógena (mmolO2/(gSST h)
qEx Velocidad específica de respiración exógena para compuestos fenólicos (mmolO2/(gSST h)
qEx* Velocidad específica de respiración exógena máxima observable (mmolO2/(gSST h)
qF Velocidad especifica de degradación de fenol (mgF/(gSST h))
qO2en Velocidad específica de respiración endógena (mmolO2/(gSST h)
qO2F Velocidad específica de respiración exógena asociada al consumo de fenol
qO2Fm Velocidad específica de respiración exógena máxima asociada al consumo de fenol (mmolO2/(gSST h)
qO2S Velocidad específica de respiración exógena asociada al consumo de suero de queso (mmolO2/(gSST h)
qO2Sm Velocidad específica de respiración exógena máxima asociada al consumo de suero de queso (mmolO2/(gSST h)
qO2T Velocidad específica de respiración total (mmolO2/(gSST h) QP Caudal de purga (L/h)
qS Velocidad específica de degradación de suero de queso (mgDQO/(sSST h))
qSmedia Velocidad específica media de consumo de sustrato (mmolS/gSST h)
qSmedia1 Velocidad específica media de consumo de sustrato en el primer pulso adicionado (mmolS/gSST h)
R Velocidad de respiración (mmolO2/(L h)) RE Resorcinol
Ren Velocidad de respiración endógena (mmolO2/(L h)) Rex Velocidad de respiración exógena (mmolO2/(L h))
Rexn Velocidad de oxidación exógena evaluada alrededor del punto n
RF Velocidad de degradación de fenol (mgF/(L h))
RS Velocidad de degradación de suero de queso (mgDQO/(L h))
RT Velocidad total de respiración total (mmolO2/(L h))
S Sustrato
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S0 Sustrato inicial
Sacum Concentración acumulada de sustrato (mmolS/L)
SAR Concentración de sustrato en el agua residual
SAT Sólidos adheridos totales (g/L)
SF Concentración de sustrato final
SST Sólidos suspendidos totales (g/L)
ST Sólidos totales (g/L)
Sum(OC) Oxígeno consumido acumulado para mezclas binarias de compuestos
fenólicos (mmolO2/L).
Sum(S) Concentración acumulada de sustrato para mezclas binarias de compuestos
fenólicos (mmolS/L)
t Tiempo
t0 Tiempo en el cual se inicia la aireación durante la determinación de kLa por el
método dinámico
tC Tiempo crítico
tD Tiempo total de degradación
tR Tiempo de reacción
tT Tiempo de duración total de cada ciclo de operación del reactor
tw Ventana de tiempo
V Volumen máximo del reactor en condiciones de operación
VM Volumen de muestra (L)
VP Volumen de purga (L)
VR Volumen del reactor híbrido
VS Volumen de sobrenadante (L)
VSop Volumen de soportes
X Concentración de biomasa (gSST/L)
X0 Concentración inicial de biomasa (gSST/L)
X0E Concentración de biomasa en estado estacionario (gSST/L)
Xa Concentración de biomasa adherida (gSAT/L)
XAR Concentración de biomasa en el agua residual (gSST/L)
Xd Microorganismos degradadores
XF Concentración de biomasa final (gSST/L)
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Xnd Microorganismos no degradadores
XS Concentración de biomasa suspendida (gSST/L)
Xt Concentración de biomasa total (gST/L)
YO/F Coeficiente de oxidación para fenol (molO2/molF)
YO/S Coeficiente de oxidación de sustrato para compuestos fenólicos (molO2/molS) Yobs Rendimiento observable en biomasa (gSST/gS)
YX/S Rendimiento verdadero en biomasa (gSST/gS)
Letras griegas
∆t Intervalo de tiempo entre dos datos sucesivos σC Desviación estándar de C
σσσσb Desviación estándar del término btw,∆t
Varianza correspondiente a C Varianza correspondiente a kLa
Varianza correspondiente a OCT Varianza correspondiente a Rex
Varianza correspondiente a btw
Desviación estándar de kLa θH Tiempo de residencia hidráulico θC Tiempo de residencia celular
160
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